DE10251154A1

DE10251154A1 - Switched permanent magnet electrical machine e.g. for servo drive, has stator provided with electromagnetic poles alternating with permanent magnet poles

Info

Publication number: DE10251154A1
Application number: DE2002151154
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Amrhein; Siegfried Silber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-13

Abstract

The electrical machine has an inner or outer ferromagnetic rotor (11) and an outer or inner ferromagnetic stator (12), the rotor and stator contour facing the air-gap each defined by a radius which is dependent on the angular position and provided with periodic slots or teeth. The stator has one or more stator windings provided by coils (16) fitted in the stator slots alternating with permanent magnets (17) for providing electromagnetic poles (13) and permanent magnet poles (14) for magnetization of the air-gap.

Description

Für Hochleistungsantriebe, insbesondere wenn ein sehr hoher Wirkungsgrad gefordert ist, werden immer häufiger permanentmagnetisch erregte Antriebe, wie zum Beispiel PM Servos oder BLDCs, eingesetzt. Eine besonders hohe Leistungsdichte dieser Antriebe kann durch den Einsatz von Permanentmagnetmaterial mit hoher Leistungsdichte erzielt werden. Diese Magnetmaterialien weisen allerdings zum Teil für die Anwendung sehr ungünstige Eigenschaften auf. Einerseits steigt die Gefahr einer Entmagnetisierung durch Überlastung des Antriebs mit zunehmender Temperatur, sodaß die zulässige Umgebungstemperatur für diese Antriebe auf niedrige Werte begrenzt werden muß. Andererseits ist das Material sehr spröde, wodurch eine aufwendige Einbettung des Permanentmaterials nötig werden kann.For High-performance drives, especially if they are very efficient is becoming increasingly common permanently magnetically excited drives, such as PM servos or BLDCs. A particularly high power density of these Drives can be made using permanent magnet material high power density can be achieved. These magnetic materials exhibit however in part for the application very unfavorable Properties on. On the one hand, the risk of demagnetization increases due to overload of the drive with increasing temperature, so that the permissible ambient temperature for this Drives must be limited to low values. On the other hand, the material very brittle, whereby an expensive embedding of the permanent material becomes necessary can.

Eine hinsichtlich der zulässigen Umgebungstemperatur sowie der mechanischen Robustheit günstigere Motorbauart ist der Switched Reluctance Motor. Nachteilig bei dieser Motorbauart ist allerdings, der meist niedrige Wirkungsgrad, verglichen mit permanentmagneterregten Motoren. In der Literatur sind allerdings Ausführungen bekannt, die als Hybrid-Motoren bezeichnet werden, die durch den Einsatz von einem zwischen zwei Rotorteilen angeordneten Permanentmagneten der in Achsrichtung magnetisiert ist, eine Verbesserung des Drehmomentes und in der Folge des Wirkungsgrades erzielen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist einerseits der kompliziertere Rotoraufbau, andererseits die verringerte mechanische Robustheit. Eine weitere bekannte Ausführungsform (WO97/07583) sieht Permanentmagnete im Statorrückschluß vor. Nachteile ergeben sich bei dieser Ausführungsform dadurch, daß sehr eng tolerierte Permanentmagnete zwischen zwei Statorhälften angeordnet werden müssen. Die mechanischen Toleranzen des Luftspaltes, und somit die wesentlichen Eigenschaften des Motors sind durch die Toleranzen des spröden und schlecht zu bearbeitenden Magnetmaterials bestimmt. Durch die Teilung des Stators ergibt sich bei der Fertigung ein hoher Montageaufwand. Weiters ergeben sich Verschlechterungen hinsichtlich der mechanischen Robustheit des Motors.One with regard to the permissible ambient temperature as well as the mechanical robustness cheaper engine design is the Switched Reluctance Motor. A disadvantage of this type of engine is however, the mostly low efficiency compared to permanent magnet excitation Engines. In the literature, however, versions are known that are hybrid engines are designated by the use of one between two Permanent magnet rotor parts arranged magnetized in the axial direction is an improvement in torque and consequently in efficiency achieve. A disadvantage of this arrangement is the more complicated one Rotor structure, on the other hand the reduced mechanical robustness. Another known embodiment (WO97 / 07583) provides permanent magnets in the stator back yoke. Disadvantages arise in this embodiment in that very tight tolerated permanent magnets arranged between two stator halves Need to become. The mechanical tolerances of the air gap, and thus the essential ones Characteristics of the motor are due to the tolerances of the brittle and magnetic material that is difficult to process. By division of the stator results in a high assembly effort during production. Furthermore, there are deteriorations in the mechanical Robustness of the engine.

Die erfindungsgemäße Lösung vereint die Vorteile des mechanisch robusten Switched Reluctance Motors mit dem auf das Volumen bezogene hohe Drehmoment eines permanentmagneterregten Motors, wobei die Permanentmagnete so angeordnet sind, daß eine Gefahr einer Entmagnetisierung selbst bei hohen Temperaturen nicht gegeben ist, die Eigenschaften des Motors praktisch unabhängig von den mechanischen Toleranzen der Permanentmagnete sind und der Motor trotz des spröden Magnetmaterials mechanisch sehr robust ist.The solution according to the invention combines the advantages of mechanically robust switched reluctance motors with the volume related high torque of a permanent magnet excited motor, whereby the permanent magnets are arranged so that there is a risk of demagnetization even at high temperatures the properties are not given of the engine practically independent of the mechanical tolerances of the permanent magnets and the Engine despite the brittle Magnetic material is mechanically very robust.

In der 1 ist eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Switched Permanent Magnet Motors (in der Folge als SPM Motor bezeichnet), bestehend aus einem ferromagnetischen Rotor (11) und einem ferromagnetischen Statur (12) mit mindestens einer elektromagnetischen (13), mindestens einer permanentmagnetischen (14) sowie gegebenenfalls einer oder mehreren ferromagnetischen Polausbildungen (15). Der Radius der luftspaltseitigen Rotor- und Statorkonturen ändert sich dabei winkelabhängig wodurch Nuten oder Zähne gebildet werden, die dem Luftspalt zugewandt sind. Die elektromagnetischen Polausbildungen sind mit Spulen (16) bewickelt, die permanentmagnetischen Polausbildungen werden durch Permanentmagnete (17) gebildet und sind nicht mit Spulen bewickelt. Die ferromagnetischen Polausbildungen dienen zur gezielten Beeinflussung der Betriebseigenschaften, insbesondere zur Verringerung des Rastmoments und weisen weder Spulen noch Permanentmagnete auf. Diese ferromagnetischen Polausbildungen können gegebenenfalls auch entfallen. Die Anordnung der Pole erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung so, daß entweder zwischen den permanentmagnetischen Polausbildungen in Statorumfangsrichtung wenigstens eine elektromagnetische und/oder gegebenenfalls eine oder mehrere ferromagnetische Polausbildungen angeordnet sind, oder zwischen den elektromagnetischen Polausbildungen eine oder mehrere permanentmagnetische Polausbildungen angeordnet sind. Vorteilhafte Polverteilungen sind beispielsweise eine abwechselnde Anordnung von permanentmagnetischen und elektromagnetischen Polausbildungen in Statorumfangsrichtung, oder aber auch eine solche Anordnung so daß zwischen zwei permanentmagnetischen Polausbildungen jeweils n elektromagnetische Polausbildungen angeordnet sind, wobei n ein ganzzahliges Vielfaches der Strangzahl ist.In the 1 is a possible embodiment of the switched permanent magnet motor (hereinafter referred to as SPM motor), consisting of a ferromagnetic rotor ( 11 ) and a ferromagnetic stature ( 12 ) with at least one electromagnetic ( 13 ), at least one permanent magnetic ( 14 ) and possibly one or more ferromagnetic pole configurations ( 15 ). The radius of the rotor and stator contours on the air gap side changes depending on the angle, as a result of which grooves or teeth are formed which face the air gap. The electromagnetic pole formations are equipped with coils ( 16 ), the permanent magnetic pole formations are made by permanent magnets ( 17 ) are formed and are not wound with coils. The ferromagnetic pole designs serve to influence the operating properties in a targeted manner, in particular to reduce the cogging torque, and have neither coils nor permanent magnets. These ferromagnetic pole configurations can also be omitted if necessary. The arrangement of the poles in the solution according to the invention is such that at least one electromagnetic and / or possibly one or more ferromagnetic pole configurations are arranged between the permanent magnetic pole configurations in the stator circumferential direction, or one or more permanent magnetic pole configurations are arranged between the electromagnetic pole configurations. Advantageous pole distributions are, for example, an alternating arrangement of permanent magnetic and electromagnetic pole formations in the stator circumferential direction, or else such an arrangement that n electromagnetic pole formations are arranged between two permanent magnetic pole formations, where n is an integer multiple of the number of strands.

Die geometrische Ausführung der Rotorverzahnung hat so zu erfolgen, daß sich die Überdeckungbereiche der Rotorzähne an wenigstens zwei elektromagnetischen Polausbildungen unterscheiden.The geometric design of the Rotor toothing has to take place in such a way that the overlapping areas of the rotor teeth are at least distinguish two electromagnetic pole formations.

Die Ausführung der Spulen erfolgt zweckmäßigerweise so, daß Formspulen auf die ausgeprägten Statorpole geschoben werden, oder daß konzentrierte Wicklungen in die Statornuten eingelegt (gewickelt) werden. Denkbar ist auch eine Ausführungsform mit in Nuten gewickelten gesehnten oder verteilten Spulen. Als zweckmäßig kann sich auch eine Ausführung der Spulen als Durchmesserspulen erweisen.The coils are expediently designed so that form coils to the pronounced Stator poles are pushed, or that concentrated windings are inserted (wound) into the stator slots. It is also conceivable one embodiment with grooved or distributed coils wound in slots. Can be useful yourself an execution of the coils prove to be diameter coils.

Die permanentmagnetischen Polausbildungen werden aus mindestens einem Permanentmagnet gebildet, insbesondere bei dünnen Permanentmagneten kann es für eine einfache Fertigbarkeit zweckmäßig sein pro permanentmagnetischer Polausbildung mehrere Permanentmagnete zu verwenden. Dabei sind die permanentmagnetischen Polausbildungen entweder so gestaltet, daß eine Seitenfläche des Permanentmagneten direkt an den Luftspalt grenzt, oder daß an der dem Luftspalt angrenzenden Seite ein ferromagnetischer Polschuh (18) angeordnet ist, oder daß die Permanentmagnete in einer ferromagnetischen Polkontur des Stators auf einer oder mehreren Seiten offen oder voll umschlossen eingebettet sind. Bei einer alternativen Variante der permanentmagnetischen Polausbildungen kann eine Spule um den Permanentmagnet angeordnet werden um den permanentmagnetischen Fluß zu verstärken oder abzuschwächen.The permanent magnetic pole configurations are formed from at least one permanent magnet, in particular in the case of thin permanent magnets it may be expedient to use a plurality of permanent magnets per permanent magnetic pole configuration for easy manufacture. The permanent magnetic pole designs are either designed so that one side surface of the permanent magnet directly borders the air gap, or that on the side adjacent to the air gap a ferromagnetic pole piece ( 18 ) arranged net, or that the permanent magnets are embedded in a ferromagnetic pole contour of the stator on one or more sides open or fully enclosed. In an alternative variant of the permanent magnetic pole formations, a coil can be arranged around the permanent magnet in order to increase or decrease the permanent magnetic flux.

Der Betrieb des SPM Motors kann sowohl gesteuert (vergleichbar mit einem Schrittmotor), oder aber auch mit einem Winkelbeobachter, der vorzugsweise in Software implementiert ist, oder mit einer geeigneten Winkelsensorik, erfolgen. Weiters ist auch ein sensorloser Betrieb möglich, bei dem aus den elektrischen Größen über ein mathematisches Modell auf die Winkelposition zurückgerechnet wird.The operation of the SPM engine can be both controlled (comparable to a stepper motor), or also with one Angle observer, which is preferably implemented in software, or with a suitable angle sensor. Furthermore is sensorless operation also possible, in which over one from the electrical quantities mathematical model is calculated back to the angular position.

Durch die Permanentmagnete (17) wird selbst bei unbestromten Wicklungen ein magnetischer Fluß (21) im Motor ausgebildet, welcher einen magnetischen Spannungsabfall in den Luftspalten zwischen elektromagnetischen Polausbildungen und Rotor (22), zwischen permanentmagnetischen Polausbildungen und Rotor (23) sowie zwischen ferromagnetischen Polausbildungen und Rotor (24) (in weiterer Folge auch als Vormagnetisierung bezeichnet) bewirkt. Die Magnetisierungsrichtung (25) der Permanentmagnete kann dabei wahlweise radial oder diametral erfolgen, wobei die Richtung der Magnetisierung der einzelnen Permanentmagnete immer entweder gemeinsam von außen nach innen oder von innen nach außen gerichtet ist.Through the permanent magnets ( 17 ) there is a magnetic flux even with de-energized windings ( 21 ) formed in the motor, which causes a magnetic voltage drop in the air gaps between the electromagnetic pole formations and the rotor ( 22 ), between permanent magnetic pole formations and rotor ( 23 ) and between ferromagnetic pole formations and rotor ( 24 ) (hereinafter also referred to as premagnetization). The direction of magnetization ( 25 ) The permanent magnets can be made either radially or diametrically, the direction of magnetization of the individual permanent magnets always being directed either together from the outside in or from the inside out.

Der Vormagnetisierungsfluß kann durch eine entsprechende Wahl eines Permanentmagnetwerkstoffes sowie durch die geometrische Ausformung der Permanentmagnete vorgegeben werden. Vorzugsweise wählt man eine Permanentmagnethöhe (Länge in Richtung der Magnetisierung) die gegenüber dem Luftspalt groß ist. Dadurch bleibt der Vormagnetisierungsfluß weitestgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen, da permanentmagnetische Materialien, insbesondere Seitenerden Permanentmagnetmaterialien wie z.B. NdFeB, Permeabilitäten aufweisen, die nur geringfügig größer sind wie jene von Luft. Das Permanentmagnetmaterial weist somit einen sehr großen magnetischen Widerstand auf, der durch geringe Änderungen der Permanentmagnetlänge, wie sie durch Fertigungstoleranzen entstehen, nur unwesentlich verändert wird.The bias flux can by an appropriate choice of a permanent magnet material and by the geometric shape of the permanent magnets can be specified. Preferably chooses a permanent magnet height (length in the direction the magnetization) the opposite the air gap is large. As a result, the bias flow remains largely independent of manufacturing tolerances, because permanent magnetic materials, especially side earth permanent magnet materials such as. NdFeB, have permeabilities, the only marginally are larger like that of air. The permanent magnet material thus has one very big magnetic resistance due to small changes in the permanent magnet length, such as they arise due to manufacturing tolerances, are only slightly changed.

Dem Vormagnetisierungsfluß werden Steuerflüsse, welche durch die elektromagnetischen Polausbildungen erzeugt werden, überlagert. Beispielsweise bewirkt eine Bestromung der Spule 16a einen Steuerfluß 26, der sich aufgrund des großen magnetischen Widerstand der Permanentmagnete weitestgehend über die elektromagnetischen sowie ferromagnetischen Polausbildungen schließt. Dadurch entstehen in den Luftspalten 22 und 24 Bereiche mit gegenüber der Vormagnetisierungsflußdichte erhöhten sowie verringerten Flußdichten. Durch die dadurch entstehende Flußdichtenverteilung im Luftspalt kann bei geeigneter Bestromung der Spulen eine resultierendes Drehmoment erzeugt werden.Control flows, which are generated by the electromagnetic pole formations, are superimposed on the bias flow. For example, energizing the coil 16a a tax flow 26 , which largely closes due to the large magnetic resistance of the permanent magnets via the electromagnetic and ferromagnetic pole configurations. This creates in the air gaps 22 and 24 Areas with increased and decreased flux densities compared to the bias flux density. The resulting flux density distribution in the air gap can produce a resultant torque when the coils are suitably energized.

Eine Kraftbildung, und damit in der Folge eine Drehmomentbildung, im elektromagnetischen Feld entsteht einerseits durch Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld (Lorentzkraft), andererseits durch Kräfte an der Grenzfläche von Materialien mit unterschiedlichen Permeabilitäten (Maxwellkraft). Die Lorentzkraft weist einen linearen Zusammenhang zwischen dem durch den Leiter fließenden elektrischen Strom und der erzeugten Kraft auf. Die Maxwellkraft (F) nimmt hingegen mit steigender Flußdichte (B) quadratisch zu, wie dies in der 3 dargestellt ist. Wird die Flußdichte ausgehend von Null um den Betrag ΔB gesteigert, ergibt sich eine Änderung der Kraft von ΔF₁. Wird hingegen die Flußdichte ausgehend von einer Vormagnetisierungsflußdichte B₀ um den gleichen Betrag ΔB gesteigert, stellt sich eine Änderung der Kraft von ΔF₁ ein, die sehr viel größer ist als die Kraftänderung ohne Vormagnetisierungsflußdichte. Die Tangentialkomponente dieser Kraft bewirkt ein Drehmoment. Durch die quadratische Natur der Grenzflächenkräfte weist die erfindungsgemäße Lösung des SPM Motors gegenüber konventionellen Switched Reluctance Motoren ein erheblich größeres Drehmoment bei gleicher Bestromung der Spulen auf.Force formation, and consequently torque formation, in the electromagnetic field arises on the one hand from forces on current-carrying conductors in the magnetic field (Lorentz force), and on the other hand from forces at the interface of materials with different permeabilities (Maxwell force). The Lorentz force has a linear relationship between the electrical current flowing through the conductor and the force generated. The Maxwell force (F), however, increases quadratically with increasing flux density (B), as in the 3 is shown. If the flux density is increased by the amount ΔB from zero, the force of ΔF _{1 changes} . If, on the other hand, the flux density is increased from the bias flux density B ₀ by the same amount ΔB, the force of ΔF ₁ changes, which is much greater than the change in force without bias flux density. The tangential component of this force creates a torque. Due to the quadratic nature of the interfacial forces, the solution according to the invention of the SPM motor has a considerably greater torque than conventional switched reluctance motors with the same current supply to the coils.

In der 3 ist weiters ersichtlich, daß durch eine Verringerung der Flußdichte ausgehend von der Vormagnetisierungsflußdichte B₀ um den Betrag ΔB_N sich eine negative Kraftänderung ΔF_N einstellt. Dadurch ist es möglich bei geeigneter Bestromung der Spulen durch Änderung der Stromrichtung eine Umkehrung des Drehmomentes zu erzielen. Durch eine entsprechende geometrische Ausführung des Stators und des Rotors sowie eine geeignete Spulenverschaltung ist eine Ansteuerung des SPM Motors mit einem konventionellen Servoumrichter, aufgebaut aus 6 unidirektionalen elektronischen Schaltern (S₁ bis S₆) und von einem Gleichspannungsnetz U_dc versorgt, wie in der 4 gezeigt, möglich. Als unidirektionale elektronische Schalter können beispielsweise bipolare Transistoren, IGBTs oder MOSFETs eingesetzt werden.In the 3 it can also be seen that a decrease in the flux density starting from the bias flux density B ₀ by the amount ΔB _N results in a negative change in force ΔF _N. This makes it possible to achieve a reversal of the torque when the current is suitably energized by changing the current direction. A corresponding geometric design of the stator and the rotor as well as a suitable coil connection enable the SPM motor to be controlled with a conventional servo converter, made up of 6 unidirectional electronic switches (S ₁ to S ₆ ) and supplied by a DC voltage network U _dc , as in the 4 shown, possible. Bipolar transistors, IGBTs or MOSFETs, for example, can be used as unidirectional electronic switches.

Eine hinsichtlich der mechanischen Robustheit und des fertigungstechnischen Aufwandes zweckmäßige Ausführung des SPM Motors ist in der 5 dargestellt. Die Permanentmagnete (17) sind bei dieser Ausführung vollständig von ferromagnetischen Material umgeben. Dadurch ist einerseits eine sehr kostengünstige Fertigung möglich, da keine eng tolerierten Permanentmagnete erforderlich sind. Andererseits ist das spröde Magnetmaterial vollständig vom Blechschnitt umgeben, sodaß keine mechanischen Kräfte auf das Magnetmaterial wirken können. Damit ein magnetischer Kurzschluß der Permanentmagnete durch den ferromagnetischen Stator vermieden wird, müssen die Stege (51) geometrisch so ausgeführt werden, daß in diesen Bereichen das ferromagnetische Material magnetisch in Sättigung geht.A practical design of the SPM motor with regard to the mechanical robustness and the manufacturing expenditure is in the 5 shown. The permanent magnets ( 17 ) are completely surrounded by ferromagnetic material in this version. On the one hand, this enables very cost-effective production, since no tightly tolerated permanent magnets are required. On the other hand, the brittle magnetic material is completely surrounded by the sheet metal cut, so that no mechanical forces can act on the magnetic material. In order to avoid a magnetic short circuit of the permanent magnets by the ferromagnetic stator, the webs ( 51 ) geometrically so that the ferromagnetic material is magnetically saturated in these areas goes.

Durch die mechanische Robustheit dieses Motors, ist ein Einsatz in Applikationen möglich, bei denen aufgrund der mechanischen Beanspruchung ein Einsatz von permanentmagneterregten Motoren nicht möglich war.Due to the mechanical robustness This motor can be used in applications where due to the mechanical stress, the use of permanent magnet excited Motors not possible was.

Der in der 5 dargestellte SPM Motor besitzt die für den Betrieb vorteilhafte Eigenschaft, daß der Vormagnetisierungsfluß unabhängig vom Rotorwinkel immer konstant bleibt. Dies wird erreicht, indem das Verhältnis des gesamten magnetischen Widerstands zwischen den permanentmagnetischen Polausbildungen und dem Rotor zum magnetischen Widerstand der sich aus den elektromagnetischen Polausbildungen sowie den ferromagnetischen Polausbildungen und dem Rotor ergibt, unabhängig vom Rotorwinkel immer konstant bleibt. In dem in 5 gezeigten Motor überdecken die permanentmagnetischen Polausbildungen immer zwei volle Rotorzähne, die elektromagnetischen Polausbildungen überdecken nur jeweils ein Viertel des Winkelbereiches der permanentmagnetischen Polausbildungen. Eine vorteilhafte Ausführung der Wicklungsanordnung ergibt sich bei diesem Motor, wenn die Spulen 16a durch Reihen- oder Parallelschaltung zu einem Strang zusammengefaßt werden. Analog dazu werden jeweils die vier Spulen 16b und 16c ebenfalls zu Strängen zusammengefaßt. Diese drei Motorstränge können gegebenenfalls im Stern oder Dreieck verschaltet werden.The Indian 5 SPM motor shown has the advantageous property for operation that the bias flux remains constant regardless of the rotor angle. This is achieved in that the ratio of the total magnetic resistance between the permanent magnetic pole formations and the rotor to the magnetic resistance resulting from the electromagnetic pole formations as well as the ferromagnetic pole formations and the rotor always remains constant, regardless of the rotor angle. In the in 5 Motor shown cover the permanent magnetic pole formations always two full rotor teeth, the electromagnetic pole formations cover only a quarter of the angular range of the permanent magnetic pole formations. An advantageous embodiment of the winding arrangement results in this motor when the coils 16a can be combined into a string by series or parallel connection. The four coils are analogous to this 16b and 16c also combined into strands. These three motor lines can be connected in a star or delta if necessary.

Durch die Vormagnetisierung kann selbst bei unbestromten Spulen ein über den Rotorwinkel veränderliches Drehmoment entstehen, das üblicherweise als Rastmoment bezeichnet wird. Um dieses Rastmoment weitestgehend zu kompensieren, ist es zweckmäßig die luftspaltseitige Kontur der elektromagnetischen Polausbildungen im Radius gezielt winkelabhängig zu verändern (61). Als weitere Maßnahme, steht eine Variation des Luftspaltes durch eine winkelabhängige Veränderung der permanentmagnetischen Polausbildung zur Verfügung (62). Gegebenenfalls ist auch die Verwendung von ferromagnetischen Polausbildungen denkbar, die durch unterschiedliche Polteilungen und/oder durch Variation der luftspaltseitige Kontur eine Reduktion des Rastmoments bewirken können (63).The premagnetization can produce a torque that is variable over the rotor angle, even with de-energized coils, which is usually referred to as cogging torque. In order to compensate for this cogging torque as far as possible, it is advisable to change the air gap-side contour of the electromagnetic pole formations in a radius-dependent manner ( 61 ). As a further measure, a variation of the air gap is available through an angle-dependent change in the permanent magnetic pole formation ( 62 ). If appropriate, the use of ferromagnetic pole configurations is also conceivable, which can bring about a reduction in the cogging torque due to different pole divisions and / or by varying the contour on the air gap side ( 63 ).

Eine hinsichtlich der Spulenzahl vorteilhafte Ausführung des SPM Motors ist in der 7 dargestellt. Bei dieser Ausführung ist in Statorumfangsrichtung jeweils abwechselnd ein permanentmagnetischer und elektromagnetischer Pol angeordnet. Überdies weisen sowohl die Rotoroberfläche als auch die elektromagnetischen Polausbildungen eine feine Verzahnung auf (71), wobei vorzugsweise die rotorseitige Zahnteilung τ_zr mit der Zahnteilung der elektromagnetischen Pole τ_ze übereinstimmen. Diese feine Verzahnung bewirkt, daß sich der mit den Spulen verkettete magnetische Fluß bereits bei einer sehr kleinen Drehung des Rotors um eine halbe Zahnteilung τ_z/2 vom Maximum zum Minimum oder umgekehrt verändert. Folglich kann durch Bestromung der Spulen ein sehr großes Drehmoment erzielt werden. Grundsätzlich kann die Verteilung der permanentmagnetischen, elektromagnetischen und ferromagnetischen Polausbildungen gleich erfolgen wie bei einem SPM Motor mit konventioneller Verzahnung. Vorzugsweise wird die feine Verzahnung der elektromagnetischen Polausbildungen von Strang zu Strang um 360/m Grad elektrisch versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist, insbesondere ein Zahl, die der Strangzahl oder der doppelten Strangzahl entspricht (bei einer zweisträngigen Ausführung des Motors ist ein Versatz von 90° el. zweckmäßig).An advantageous embodiment of the SPM motor with regard to the number of coils is in the 7 shown. In this embodiment, a permanent magnetic and electromagnetic pole are alternately arranged in the circumferential direction of the stator. In addition, both the rotor surface and the electromagnetic pole formations have fine teeth ( 71 ), the tooth pitch τ _zr on the rotor preferably coinciding with the tooth pitch of the electromagnetic poles τ _ze . This fine toothing causes the magnetic flux linked to the coils to change from maximum to minimum or vice versa even with a very small rotation of the rotor by half a tooth pitch τ _z / 2. As a result, a very large torque can be achieved by energizing the coils. In principle, the distribution of permanent magnetic, electromagnetic and ferromagnetic pole configurations can be done in the same way as for an SPM motor with conventional toothing. Preferably, the fine toothing of the electromagnetic pole formations is electrically offset from strand to strand by 360 / m degrees, where m is an integer, in particular a number which corresponds to the number of strands or twice the number of strands (in the case of a two-strand version of the motor, an offset of 90 ° el. Expedient).

Claims

Permanent magnet excited electrical machine consisting of a ferromagnetic inside or outside rotor ( 11 ) with a rotor contour on the air gap side, the radius of which changes depending on the angle, in particular a rotor with a periodically grooved or toothed rotor contour, the grooves and teeth of which face the air gap, a ferromagnetic stator on the outside or inside ( 12 ) with a stator contour on the air gap, the radius of which changes depending on the angle, in particular a stator with a periodically grooved or toothed stator contour, the grooves and teeth of which face the air gap, one or more stator strands, each consisting of at least one coil ( 16 ) exist, which are inserted as concentrated, distributed or longed coils in the grooves so that they span at least one tooth pitch, and one or more stator-side permanent magnets ( 17 ) that magnetize the air gap, characterized in that at least one pole facing the air gap with permanent magnets (hereinafter permanent magnetic pole ( 14 )) and at least one pole facing the air gap with electrical winding (hereinafter electromagnetic pole ( 13 ) called) is arranged.

Permanent magnet excited electrical machine according to claim 1, characterized in that a permanent magnetic pole ( 14 ) with at least one permanent magnet ( 17 ) is equipped.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the Permanent magnets on the Air gap facing - surfaces of the ferromagnetic stator are attached so that the opposite Front of the magnet borders on the air gap.

Permanent magnet excited electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that between the permanent magnets and the air gap a ferromagnetic pole piece ( 18 ) is arranged.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the Permanent magnets in a ferromagnetic pole contour of the stator open or embedded fully enclosed.

Permanent magnet excited electrical machine according to claim 5, characterized in that the ferromagnetic sections on the side of the permanent magnets (left and right of the magnetization direction) are thin-walled over the entire length or at least over a section ( 51 ), so that these sections are magnetically saturated by the permanent magnetic flux.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the ferromagnetic material between permanent magnet and air gap has a contour on the air gap side, the radius of which changes depending on the angle.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the Permanent magnets are magnetized radially or diametrically.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the Permanent magnets with respect to their direction of magnetization in the stator are arranged that the permanent magnetic fluxes emanating from them together to the machine center axis are directed.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Permanent magnets with respect to their direction of magnetization Arranged that the stator permanent magnetic fluxes emanating from them together are directed to the machine center axis.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that in Stator circumferential direction alternately a permanent magnetic and an electromagnetic pole are arranged.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that in Stator circumferential direction several permanent magnetic poles without the inclusion of electromagnetic Poles follow one another.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that in Stator circumferential direction several electromagnetic poles without the inclusion of permanent magnetic Poles follow one another.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that in Stator circumferential direction n electromagnetic poles without inclusion of permanent magnetic Poles follow one another, where n is an integral multiple of Number of strands.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Pole pitch of a permanent magnetic pole corresponds to the electromagnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Pole pitch of a permanent magnetic pole differs from the pole pitch of an electromagnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Pole division of a permanent magnetic pole is an integer multiple the pole pitch of an electromagnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Pole division of a permanent magnetic pole is an integer multiple half the pole pitch of an electromagnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that the Pole division of an electromagnetic pole is an integer multiple the pole pitch of a permanent magnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized characterized that the Pole division of an electromagnetic pole is an integer multiple half the pole pitch of a permanent magnetic pole.

Permanent magnet excited electrical machine according to one of the preceding claims che, characterized in that on the circumference of the stator between permanent magnetic poles, electromagnetic poles or between electromagnetic and permanent magnetic poles one or more ferromagnetic poles ( 15 ) are arranged without winding.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that a electromagnetic pole as a pronounced pole with concentrated winding accomplished is.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that a electromagnetic pole as a grooved pole with concentrated winding accomplished is.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that a electromagnetic pole is designed as a grooved pole with distributed winding.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding claims, characterized in that a electromagnetic pole with a diameter winding.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that an electromagnetic Pole with longed winding is executed.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that individual Coils or windings to form strands are summarized.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that the ferromagnetic The material of the electromagnetic pole has a contour on the air gap side whose radius changes depending on the angle.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that the ferromagnetic The pole on the air gap side has a contour whose radius changes depending on the angle.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that the ferromagnetic, electromagnetic or permanent magnetic pole or a combination From Poland on the air gap side a toothed, especially a periodic has a toothed contour.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that the toothed Contour of electromagnetic poles from strand to strand by 360 / m degrees electrical is offset, where m is an integer, in particular a number, which corresponds to the number of strands or double the number of strands.

Permanent magnet excited electrical machine one of the preceding characterized in that the Air gap facing surface a toothed contour of the rotor, in particular a contour with a Tooth pitch, which corresponds to a pole or tooth pitch of the stator poles, having.